振动控制技术现状与进展

第２８卷第３期振动与冲击ＪＯＩ７ＲＮ＾ｆ．ＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤ．ｑＨＯＣＫ振动控制技术现状与进展陈章位，于慧君（浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，杭州３１００２７）摘要：总结了白２０世纪４０年代开始振动试验研究以来振动控制技术的发展，论述了在振动控制算法以及振动试验激振设备等方面周内外研究所取得的主要成就。

在此基础上提ｆｉ｛ｒ振动控制技术今后值得父注的研究方向和重点，如实际振动环境复现试验控制、多轴多自由度振动控制等。

关键词：振动控制；振动试验；进展；展望中图分类号：ＴＢ５３４＋．２文献标识码：Ａ自从在二次世界大战中战斗机等多种军用设备因受振动而造成损坏的现象引起重视后，为了更好地模拟产品的真实振动环境、对产品可靠性进行检验，２０世纪４０年代开始人们引入了振动试验。

随着现代科学技术的进步，振动试验在产品的生产、设计以及可靠性、耐久性试验方面起到了越来越重要的作用。

振动试验系统主要由激振器、控制器、试件以及夹具所组成。

在这几十年来的发展中，为了更真实地模拟实际的振动环境，激振器越来越复杂，同时也带来了问题就是如何精确地控制激振器使得激振器产生的振动信号能够与试验要求产生的信号一致，也即需要进一步提高控制器的性能。

由此本文从三方面对振动控制技术进行综述，一是当前振动试验激振设备的发展；二是当前振动控制算法的发展以及在当前的振动试验产品中普遍采用的控制算法：三是当前控制器的发展，在此基础上提出了振动控制技术今后的研究方向和重点。

１国内外进展１．１振动试验激振设备进展用于振动试验的振动试验激振设备从其激振方式上主要可分为三类：机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台¨“１。

１．１．１机械式振动台进展机械式振动台主要有不平衡重块式和凸轮式两类。

不平衡重块式是以不平衡重块旋转时产生的离心力来激振振动台台面，激振力与不平衡力矩和转速的平方成正比。

这种振动台可以产生正弦振动，其结构简单，成本低，但只能在约５Ｈｚ一１００Ｈｚ的频率范围工作，最大位移为６ｍｍ峰－峰值，最大加速度约１０ｇ，不能进行随机振动。

凸轮式振动台运动部分的位移取决于凸轮的偏心收稿日期：２００８－０１－０３第一作者陈章位男，教授，１９６５年生量和曲轴的臂长，激振力随运动部分的质量而变化。

这种振动台在低频域内，激振力大时，可以实现很大的位移，如１００ｍｍ。

但这种振动台工作频率仅限于低频，上限频率为２０Ｈｚ左右。

最大加速度为３ｇ左右，加速度波形失真很大。

机械式振动台由于其性能的局限，主要应用于要求不高的领域。

１．１．２电动振动台进展电动式振动台是目前使用较广泛的一种振动试验激振设备。

它的工作原理是：根据电磁感应原理设计的，当通电导体处在恒定磁场中将受到力的作用，当导体中通以交变电流时将产生振动。

振动台的激励线圈正是处在一个高磁感应强度的空隙中，需要的振动信号从信号发生器或振动控制器产生并经功率放大器放大后通到激励线圈上，使得振动台产生需要的振动波形。

电动式振动台的频率范围宽，小型振动台频率范围为０Ｈｚ一１０ｋＨｚ，大型振动台频率范围为０Ｈｚ～２ｋＨｚ；动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波形。

因此目前主要应用于高频率范围、推力较小、波形失真要求较高的试验领域。

虽然目前电动振动台在推力方面已经做得越来越大，已经可以达到３５ｔ的推力，但是当它的推力超过１０ｔ以后，前述的电动振动台优势不是很明屁，各种因素的干扰也越来越大，而且成本增加很多。

同时由电动式振动台的工作原理所决定，在振动试验的过程中，它的台面上不可避免会产生漏磁现象，这对于某些军用产品的试验是不可行的。

因此，在这些情况下需要用电液振动台来进行试验。

１．１．３电液振动台进展电液式振动台作为振动试验的常用设备之一。

它的工作方式是采用电液伺服阀，通过液压控制传动装置产生振动激励。

输入的电控信号经放大器放大进入伺服阀，伺服阀把与输入信号成比例的液压油输入液压缸，以驱动活塞并带动台面运动。

万方数据７４振动与冲击２００９年第２８卷电液振动台能产生很大的激振力和速度，如对较小的试件激振力可高达３６２８７ｋｇ，速度可达９ｍ／ｓ，而且在低频的时候以可以得到很大的激振力。

大激振力的电液式振动台比相同推力的电动式振动台价格便宜，尤其在激振力大于４５３６ｋｇ后，电液振动台和电动式振动台的价格会相差很多。

在位移方面，电液式振动台可以从２５ｍｍ到６ｍ，而普通的电液振动台的行程范围是５１ｍｍ到１５２ｍｍ。

电液式振动台的使用频率范围可达到０Ｈｚ～ｌ０００Ｈｚ，推力可达数百吨或Ｔ．吨以上。

电液振动台的这些优势使得它在振动试验中发挥着重要作用，尤其是在汽车行业、工程机械、装甲车以及船舶等行业具有广泛的应用前景。

同时由于近年来更多的振动试验要求对结构或建筑物进行足尺试验，这也离不开电液振动台。

但电液振动台和电动振动台相比，高频性能较差、上限］二作频率低、波形失真较大，不过近年来，随着控制技术的发展。

液压伺服阀等关键器件的发展，电液式振动台的频率范嗣有了很大的提高，同时波形失真减小。

如美国ＴＥＡＭ公司的电液式振动台的频率范围可达１０００Ｈｚ，失真度几乎与电动式振动台一样。

同电动式振动台一样，近年来电液振动台也大力发展多轴多自由度的振动台，在国外建立了很多的三向六自由度电液振动台，其中部分是经过对单向电液振动台进行改造而建成的。

而国内在电液振动台建造上目前还有一些关键技术没解决，如频率范围，国内做到１００Ｈｚ就相当困难。

而且在控制方式上，国内还基本采用模拟控制，国际上已采用全数字式控制方式。

因此国内高性能电液振动台全部依靠进口。

１．１．４多轴振动试验激振设备进展多轴振动激励装置主要有两大类，一类是多点激励装置，一类是多轴振动台。

到目前为止已研制成功的多轴振动激振设备均是由多个单轴振动台（或作动器）组装而成的，这样做的一个显著优点是可以充分利用单轴振动台的成熟技术，从而降低系统造价＂Ｊ。

根据所用单轴振动台的类型不同，多轴振动激励装置可以划分为电液式和电动式两类，前者主要用于低频振动试验，频率范围大多在１００Ｈｚ以下，后者则用于中高频振动环境试验，频率范同一般为５Ｈｚ～２０００Ｈｚ。

电液式多轴振动台的实现相比电动式容易，造价相对较低，同时它也具有电液式单轴振动台的优点。

其结构形式有两轴平移、ｉ轴平移和ｉ向六自由度等几种类型。

电动式多轴振动台的种类较少，目前只有三向平移和三向六自由度两种类型。

１．２振动控制进展为了实现较高精度的振动控制，在保证振动激振设备的性能的同时，控制器性能的好坏起了很重要的作用。

１．２．１振动控制算法进展目前振动试验主要有正弦振动试验、正弦加随机振动试验、随机振动试验、冲击响应谱振动试验、典型冲击试验、以及时问历程复现试验。

其中正弦定频试验，用于检验某些零部件及设备等工作在某个或几个激励频率下时其抗振以及耐振的能力。

针对正弦振动试验，通常采用如图１所示的控制方式１６Ｊ。

图１台面幅频特性实验结果随机振动试验实际上是一种宽带随机振动试验。

它的目的是检验产品、设备和工程等的耐随机振动的能力，考核试验对象在振动环境应力下的性能及表现。

发现它们的设计缺陷，从而改进设计，提高性能和质量。

在试验过程中连续地输出随机的激励信号来控制振动台的Ｔ作，振动台在激励信号的激励作用下，其响应的功率谱密度必须符合目标谱的定义。

目前广泛采用的是频谱均衡的控制方式。

该方法是一种闭环振动控制方式同时也是一种频域复现控制方式。

它在试验台架上施加随机载倚，使所加载荷的功率谱与真实载荷的功率谱相同。

试验台由计算机控制，计算机按给定的功率谱，并按随机相位产牛随机信号，通过数字均衡实现频域的模拟。

其实现原理如图２所示¨Ｊ。

图２台面幅频特性实验结果该方法计算简单，能保证实时性，因而得到了广泛的应用，但是它对于所实现的随机信号有一定的限制，通常是服从高斯分布的平稳随机信号。

美国ＤＰ公司提出了一种基于连续卷积的新型随机振动试验控制算法‘引，该方法通过对每次闭环控制万方数据第３期陈章位等：振动控制技术现状与进展７５所获得的单帧激励信号与不断更新的系统逆传递函数进行连续卷积运算产生平滑连续的驱动信号。

该方法与频谱均衡法的主要不同是不需要进行随机相位调制和时域随机化。

应用于ＤＰ和ＭＰ公司的振动控制器中，得到了很好的控制效果。

除了在目前振动试验控制器中广泛采用的上述两种算法外，国内外很多学者都为进一步改进随机振动控制的控制效果进行了广泛和深入的研究一。

１¨。

随着对随机振动试验研究的深入，研究人员发现随机振动试验在某些试验的情况下试验结果的有效性存在问题，因为它是建立在复现随机信号的功率谱密度的原则上。

因此近年来，研究人员逐渐认识到了随机振动试验的局限性，同时随着振动试验的广泛应用对控制系统提出了更高的要求，因此提出了时间历程复现振动试验∞’１２Ｊ。

它常被用于模拟汽车、船舶等交通工具在行驶过程中所受到的振动激励以及飞机在着陆时受到的振动激励，通常它的目标信号是通过数学模型产生或者是通过实际采集得到的振动信号，它的试验目的是复现目标信号的时域波形。

早期的时间历程复现试验采用迭代控制方式０１３，１４ｊ，即用人工产生或实际激励记录到的信号通过电液振动台对被试验对象进行激励，以识别整个试验系统的响应与激励之间的频率响应关系，即系统的传递函数。

然后根据期望的响应信号和系统的传递函数，计算初始驱动信号。

用该驱动信号激振，同时回收期望响应点的响应信号，根据系统的传递函数和误差信号进行迭代，修正驱动信号。

利用迭代获得的满足精度要求的激励信号直接驱动电液振动台，开始正式的振动试验。

在试验过程中，仅仅将驱动信号重放出来即可。

以迭代控制方法为基础，为提高控制性能，进一步提出了改进的迭代控制方法Ｌ１５＇１６Ｊ。

但是这些控制方式都是一种开环控制，在试验的过程中，对系统特性的变化不能进行实时修正，因此试验精度低，同时对于长时间历程的复现，在预试验阶段计算振动台的驱动信号时所花费的时间较多，提高了试验成本。

近年来ＤＡＣＴＲＯＮ、ＤＰ和ＭＰ公司都开发出了闭环控制的方式进行长时间历程复现，提高了试验精度‘肛１９１。

正弦加随机振动试验，用于在规定的频率范围内，在宽带随机振动的基础上叠加若干规定量值的频率可变的正弦振动，如对直升飞机的振动环境以及火炮发射时所产生的振动。

目前国内外通用的正弦加随机振动试验控制算法是旧。

加１：首先，把通过加速度传感器获得的正弦加随机振动试验信号分离出正弦信号的幅值以及随机信号；其次，分别根据正弦振动试验以及随机振动试验控制算法进行均衡控制；均衡后获得的激励信号根据线性叠加原理重叠输出，通过功率放大器驱动振动台工作：如此往复，进行闭环控制。

在这个控制算法中，正弦信号和随机信号通常采用跟踪滤波的方法进行分离。